Allgemeines über UV-Strahlung und deren Erzeugung

Ultraviolett-Strahlung hat einen wichtigen Platz in unserem alltäglichen Leben eingenommen – auch wenn dies oftmals im Hintergrund geschieht und nicht auf den ersten Blick offensichtlich ist.

Beispielsweise schmeckt das Trinkwasser in vielen Ländern stark nach Chlor und riecht ebenso stechend wie unangenehm – doch warum ist das nicht überall so?

Die Lösung liegt beispielsweise in der kommunalen Trinkwasserentkeimung mittels Ultraviolett, welche weit verbreitet Einzug gehalten hat. Im privaten Bereich sowie in Industrie und Medizin ist die Ultraviolett Technik auf dem Erfolgskurs und wird als anerkanntes, kostengünstiges und zuverlässiges Verfahren eingesetzt.

Die Antworten auf das “Wo / Wie / Weshalb” finden Sie auf dieser Seite.

Physikalische Grundlagen

Was ist UV-Strahlung?
Ultraviolettstrahlung sind elektromagnetische Wellen der Wellenlänge von 100 bis 380 nm oder einer Frequenz von über 789 THz. Die Energie eines einzelnen Lichtquants beträgt etwa 3,26 eV. Ultraviolettstrahlung ist nicht sichtbar.

Sie zählt zur Gruppe der optischen Wellenlängen, weshalb häufig der Begriff “UV-Licht” anzutreffen ist, welcher genau genommen nicht ganz korrekt ist. UV-Strahlung kann wie das Licht anderer Wellenlängen oder der Infrarot-Strahlung gebrochen, reflektiert, gebeugt und absorbiert werden – allerdings ist das Reflexionsverhalten in Bezug auf die Materialwahl des Reflektors nicht mit dem des sichtbaren Bereich zu vergleichen. Durch die Lumineszenzanregung (s. Analysengeräte / Wood Light) kann Ultraviolettstrahlung indirekt sichtbar gemacht werden.

Was bedeutet UV-A, UV-B und UV-C und worin liegt der Unterschied?
Ultraviolettstrahlung wurde in mehrere Gruppen unterteilt. Diese Gruppen haben unterschiedliche biologische Wirkungen und technische Einsatzbereiche. Nachfolgendes Diagramm zeigt, in welchem Bereich des elektromagnetischen Spektrums die UV-Strahlung zu finden ist. Der gesamte UV-Bereich wird definiert von 400 – 10 nm. Dabei ist die Energie der Lichtquanten umgekehrt proportional zur Wellenlänge (je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher die Strahlung).

 

Bereich Wellenlänge Biologische Wirkung Technischer Einsatz
UVA 315-380nm sofortige, kurze Bräunung; Hautalterung und Faltenbildung, praktisch keine erytheme (Sonnenbrand erzeugende) Wirkung Bräunung, photochemische Reaktionen, Lumineszenz, Druckfarbenhärtung, Lacktrocknung, Lichttherapie, Forensik, Effektlicht, …
UVB 280-315nm langfristige Bräunung; Bildung einer Schutzschicht auf der Haut; dringt in tiefere Hautschichten vor, hohes Hautkrebsrisiko, hat einen stark erythemen Effekt -> Sonnenbrand Lichttherapie / begingt zur Bräunung, photochemische Reaktionen, Lumineszenz, Druckfarbenhärtung, Lacktrockung, …
UVC 280-100nm sehr kurzwellig, gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre. Wirkt sehr stark dekontaminierend. Sehr starker erythemer Effekt Physikalische Entkeimungstechnik, photochemische Reaktionen, Lumineszenz, …
VUV (Vakuum UV oder Deep-UV) 200-150nm sehr kurzwellig, ozonbildend durch Disozziation des Luftsauerstoffs von O² zu O³ (Ozon). Messbar nur im Vakuum. Bei Stickstoffumgebung (<15 ppm Sauerstoffgehalt) bis 150 nm messbar Oberflächenreinigung, Photooxidation, Oberflächenaktivierung, Ozonerzeugung, …

 

Ausflug in die Geschichte

Wer hat die UV-Strahlung entdeckt?
Bereits 1878 haben zwei Forscher (A. Downes & T. P. Blunt) den ursächlichen Zusammenhang zwichen UV-Strahlung und Wachstum von Mirkoorganismen entdeckt. Hierbei ging es um den Nachweis, daß sich Mikroorganismen ohne Sonneneinstrahlung nicht vermehren. Lange Zeit später wurde herausgefunden, daß kurzwellige UV-Strahlung im UV-C Bereich eine dekontaminierende Wirkung aufweist. In den 60er Jahren wurde mit der Entschlüsselung und Erforschung der DNS dies erst vollständig verstanden.

Wer hat die erste UV-Strahlenquelle hergestellt?
Richard Küch war 1890 erstmals in der Lage Quarzglas zu schmelzen, die Grundlage für UV-Strahlenquellen, und gründete die “Heraeus Quarzschmelze”. Er entwickelte die erste Quarzlampe im Jahre 1904 und legte damit die Grundlage für die Lampentechnologie, die bis heute Ihre Anwendung findet. Es entstand unter dem Dach der damaligen “Original Hanau” die erste Quarzlampe, deren UV-Lichtausbeute fast dem Spektrum der Sonne entsprach.

Mit der Entwicklung von Quecksilberdampf-Niederdruckstrahlenquellen war es möglich, beispielweise die entkeimungswirksame UV-C Strahlung künstlich herzustellen. Im Laufe der Zeit wurden mehr und mehr Anwendung für die technisch erzeugte UV-Strahlung entdeckt und industiell nutzbar gemacht. So kommt es, daß heute noch Jahr für Jahr neue Anwendungen gefunden und zur Marktreife gebracht werden.

Wir begleiten Sie auf diesem Weg mit Kompetenz und Sachverstand.

Entkeimung - eine der wesentlichen UV-Anwendungen

Warum desinfiziert Ultraviolett?
Alle Mikroorganismen enthalten unter anderem Nukleinsäure (die DNS und RNS) in der die Erbinformationen der Zelle enthalten sind. Weil die Nukleinsäuren die auftreffende Strahlungsenergie absorbieren, wird ein fotochemischer Prozess ausgelöst, der den Vermehrungsapparat von Mikroorganismen schädigt und Keime inaktiviert. Dies erfolgt u.a über eine häufig vorkommende “Dimerbindung” der Thymin-Bausteine. Dies geschieht in Sekundenbruchteilen.

 

Keine Resistenz gegen UV möglich!

Populär gesagt: Bakterien, Viren, Hefe- und Schimmelpilze haben keine Chance gegen Ultraviolett. Denn zusätzliche Resistenz kann nach wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht erworben werden. Die meisten pathogenen Keime sind gegenüber UV-Strahlen sogar besonders empfindlich. Ein wichtiger Vorzug der physikalischen Desinfektion, da diese zum Beispiel auch dann funktioniert, wenn Keime bereits eine Resistenzbildung gegen konventionelle Desinfektionsmaßnahmen (Alkohol, Antibiotika, …) erworben haben. An dieser Stelle sei auf die MRSA Problematik hingewiesen, mit denen viele medizinische Einrichtungen an die Grenze der bisher praktizierten Entkeimung und Prävention angekommen sind.

Dieser Umstand der physikalischen Entkeimung funktioniert bei allen Mikroorganismen, egal ob es dabei um häufig auftretende E.Coli Bakterien, Väkalkeime, TBC, SARS, Anthrax oder Legionellen geht. Eine ausreichende UV-Dosis ist allerdings wesentliche Grundlage – und setzt eine entsprechende Geräteentwicklung voraus.

Keine Verwechslung mit Gamma- und Röntgenstrahlen
Als unsichtbare Strahlung enthält auch das Sonnenlicht Ultraviolett und dieses wirkt, wie sichtbares Licht, nur an der Oberfläche. Deshalb wird es auch als “weiche” Strahlung bezeichnet. Im Gegensatz dazu stehen sehr viele kurzwelligere Strahler (unter 100 nm), so z.B. “harte” Röntgen- und Gammastrahlen. “Hart”, weil sie feste Materie durchdringen und schwere Schädigungen im menschlichen Organismus auslösen können. Mit Ultraviolett ist das unmöglich. Aus diesem Grund kann es weder Verwechslungen noch Vergleiche geben.

Was ist die UV-Dosis bzw. Bestrahlungsdosis?

Jede UV-Strahlenquelle hat eine elektrische Leistungsaufnahme, von der ein Teil im UV-C Bereich emittiert wird. Die im UV-C Bereich emittierte Strahlung wird zu 90% bei 254 nm erzeugt, der für die Entkeimung wirksamen Wellenlänge. Diese wird als Strahlungsleistung bezeichnet. Die Strahlungsleistung ist also die Energie, die pro Zeiteinheit vom Strahler abgestrahlt wird.

Die Bestrahlungsstärke oder auch Intensität gennannt (µW oder mW) ist die pro Flächeneinheit (cm²) auftreffende Strahlungsleistung. Für ihre Höhe entscheidend ist die optimale Ausnutzung des im Gerät eingebauten Strahlers sowie der Abstand zur zu entkeimenden Sache.

Multipliziert man die Bestrahlungsstärke/Intensität mit der Zeit (s), so ergibt sich die UV-Dosis / Bestrahlungsdosis: UV-Dosis (mWs/cm²) = Intensität (mW/cm²) x Zeit (s)

Je höher die Strahlungsleistung und je länger die Bestrahlungszeit, desto größer die desinfizierende Wirkung.

Was ist die Letaldosis?

Für nahezu alle Mikroorganismen ist die “tödliche Dosis” an UV-C Strahlung bekannt, ab der die Zelle die Reproduktionseigenschaft verliert, inaktiviert wird und keine Selbstreparatur-Mechanismen aktiviert werden können. Aufgrund der Zellstruktur ist die Letaldosis ist unterschiedlich hoch. Pathogene Keime und Hefen sind äußerst empfindlich gegenüber UV-C. Manche Schimmelpilzsporen benötigen eine höhere UV-Dosis. Dies ist erforderlichenfalls bei der Auslegung zu berücksichtigen.

Die Grundlage der UV-Entkeimung ist die Auslegung des Entkeimungsgerätes bzw. die Auswahl der geeigneten Strahlenquelle. Am Ende der Strahlerlebensdauer muß eine ausreichend hohe UV-Dosis vorhanden sein um in der definierten Bestrahlungszeit eine entsprechende Entkeimungsleistung sicherzustellen. Die Letaldosis ist je nach Miroorganismus und Zellstruktur / Zelltyp unterschiedlich hoch. Pathogene Keime sind sehr empfindlich gegenüber UV-C und werden sehr schnell inaktiviert. Schimmelpilzsporen brauchen eine höhere UV-Dosis. In der Praxis wird z.B. bei Siegelfolien für Joghurtbecher innerhalb von 2 Sekunden eine Keimreduktion von 99,5 % bis 99,9 % erzielt (siehe Fraunhofer Prüfbericht für BlueLight Module).

Sicherheitshinweise zum Umgang mit UV-Strahlung

UV-Strahlung ist hochwirksam und erfordert einfache und unkomplizierte Maßnahmen für den Personenschutz. So einfach und unkompliziert diese auch sind, es ist wichtig, diese einzuhalten. Ob und welche Maßnahmen bei Ihrer Anwendung bzw. bei Ihrem Aufbau erforderlich sind, erklären wir Ihnen gerne ausführlich im Detail.

Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

 

 
Beschreibung Information
UV-Strahlung UV-Strahlung ist gefährlich für Augen und Haut. UV-Strahlenquellen dürfen daher nur unter entsprechenden Personenschutzmaßnahmen betrieben werden. Dies gilt nicht, wenn es sich im geschlossenen Geräte handelt aus denen keine UV-Strahlung austreten kann (Wasserentkeimungssysteme, Luftentkeimungssysteme auf Umluft Basis, etc.).
Schutz vor UV UV-Strahlung bei 254 nm (UV-C) ist abschirmbar durch normales Fensterglas (Borosilikat, Duran, etc.), transparenten Kunststoff wie Makrolon®, Plexiglas® und praktisch alle undurchsichtigen Materialien. Um die ggf. entstehende störende Blendwirkung zu verringern empfiehlt sich die Verwendung von eingefärbtem Material. Weitere Informationen über UV-Filter können der Norm „EN 170 – Persönlicher Augenschutz“ entnommen werden. Quarzglas ist durchlässig für UV-C Strahlung und darf nicht als Schutzglas zum Personenschutz verwendet werden.
Installation / Betrieb Wechselschaltungen, Hinweisschilder bzw. Zwangsabschaltungen sind jeweilig auf Verantwortung und nach Ermessen des Betreibers anzubringen. Werden Einzelkomponenten zur Integration in Anlagen und Geräte bzw. Musterlieferungen in Betrieb gesetzt, so obliegt es dem Betreiber, die einschlägigen elektrotechnischen Vorschriften zu beachten. Nur eingewiesenes Fachpersonal mit entsprechender Ausbildung sollte die Komponenten in Betrieb nehmen.
Materialbeständigkeit Gegenstände können sich nach langer und intensiver UV-Bestrahlung verfärben. Wir empfehlen die Verwendung von UV-beständigen Materialien. Bei der Verwendung von ozonbildenden Strahlenquellen ist zu beachten, dass Ozon eine stark oxidative Wirkung hat.
Ozonbildung Bei der Verwendung von Ozon bildenden UV-Strahlenquellen muss der MAK-Wert (MAK = Maximale Arbeitsplatzkonzentration) vom 0,1 ppm eingehalten werden. Bei Versuchs-aufbauten empfiehlt es sich, einen geeigneten Bereich mit Luftabzug zu verwenden.
Temperatur Niederdruckstrahler weisen im Betrieb eine Leuchtrohrtemperatur von ca. 40°C auf, ähnlich einer Leuchtstofflampe in der beleuchtungstechnik. UV-Strahlenquellen mit Indium-Amalgam Dotierung werden an der Leuchtrohroberfläche ca. 90°C-100°C heiß (Mitteldruckstrahlenquellen ca. 850°C-950°C). Diese Strahlenquellen sind als potenzielle Zündquellen bei Kontakt mit leicht entzündlichen Stoffen zu betrachten. Weiterhin muss die Strahlenquelle ausreichend abkühlen bevor Sie angefasst wird. Um das durchzünden der Strahlenquelle nach dem Abschalten sicherzustellen, sollten Indium-Amalgam dotierte Strahler ca. 2-5 Minuten abkühlen (Mitteldruckstrahler ca. 5-15 Minuten). Ein Abkühlen bei einfachen Niederdruckstrahlern ist nicht erforderlich.

 

Anwendungsübersicht

Anwendungsbereich        Beispielapplikationen
UV-Härtung
(von lösemittelfreien Farben, Lacken, Klebstoffen und Vergussmassen)
  • Möbelindustrie (Stühle, Tische, Küchenschränke), Türenherstellung, Skiherstellung
  • Druckindustrie (besonders im Offset- und Siebdruck, aber auch allen anderen Druckverfahren):
    z. B., Zeitschriften, Etiketten, Verpackungsdruck
  • Druck von Geldscheinen
  • Produktion von CD und DVD (Schutzlack und Verkleben der DVD, Bedruckung)
  • Elektroindustrie: z. B. Leiterplattenherstellung
  • Leiterplattenbestückung (Klebstoffhärtung)
  • Reparatur von Steinschlag in Autoscheiben (Härten von Kunstharz)
UV-Desinfektion
(von Luft, Wasser und Oberflächen)
  • Trinkwasser: z. B. Brauereien, Getränkehersteller, Trinkwasserentkeimung in Haushalten, Pensionen und Hotels, kommunale Trinkwasseraufbereitung
  • Prozesswasser: Kühlwasserkreisläufe, Prozesswasserkreisläufe, Tiefbrunnen-Entnahme, Algenbekämpfung von Fischteichen
  • Abwasser: Abwasserentkeimung in Kläranlagen
  • Luftentkeimung: (in Krankenhäusern, Kontrollmessungen zur Reduzierung von Infektionen durch Luftübertragung von bakteriellen Krankheitserregern innerhalb bewohnter Gebiete)
  • Entkeimung von Packstoffen vor Befüllung (z. B. Joghurtbecher, Siegelfolien, in der Medizinindustrie)
  • Insektenfallen
  • Produktschleusen in der Medizintechnik und Lebensmittelindustrie
UV-unterstützte Oxidation
(von organischen Schadstoffen in Luft und Wasser)
  • Zerlegung der C-H-Verbindungen in Grundbestandteile, dann Bildung von H2O + CO2 + Salze mit Ozon)
  • kontaminiertes Grundwasser (Tankstellen, Bodensanierung von Militärgebieten, Munitionsfabriken, Kohleveredelung, Gaswerke)
  • Deponiesickerwasser (mit Ozon)
  • verschmutztes Industrieabwasser (Metallbe- und -verarbeitende Industrie, Farbstoffe der Textilveredelungsindustrie, Kosmetikindustrie, pharmazeutische Industrie, chemische
  • Industrie, Elektroindustrie, Kohleveredelung, Munitionsfabriken, Autowaschanlagen, AKW, Papier-/Zellstoffherstellung, Lederindustrie, Wäschereien)
  • Geruchsbeseitigung
Sonnensimulation
(zur künstlichen Alterung von Materialien aus Sicherheits- und ästhetischen Gründen)
  • kontrollierte Holzalterung (Geigen- und Gitarrenbau, Möbelindustrie)
  • Test der Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen
  • Untersuchung des Abbaueffektes von Baumaterialien
  • Tests von Kunststoffen in der Automobilindustrie und für viele andere Anwendungen
  • oxidativer Abbau von Pflanzenschutzmitteln
  • Umwandlung verschiedener ökologisch bedenklicher Wasser- und Abwasserinhaltsstoffe in ökologisch unbedenkliche und biologisch abbaubare Stoffe
Präperative Photochemie
  • Herstellung von Waschmittel-Grundstoffen, künstlichen Duftstoffen usw.
  • Vitamin-D-Synthese
  • Polymerisationen
  • Photobromierung
  • Photochlorierung
  • Photooxidation
UV-Analytik  
Ozonerzeugung
  • Oberflächenmodifizierung von Kunststoffen und Gummiprodukten (Erhöhung der Oberflächenspannung oder Beschaffenheit
  • Abwasser- und Abluftbehandlung
  • Fettabbau in Küchenabluftsystemen
  • Geruchsbeseitigung / Desodorierung
Medizinische Anwendung / Lichttherapie
  • Behandlung von Vitamin D3-Mangelerscheinungen
  • Behandlung von Psoriasis (Schuppenflechte)
  • Behandlung von Gelbsucht von Säuglingen
  • Identifizieren von Krebszellen in inneren Organen
  • Kosmetische Bräunung
Lumineszenzanregung
  • Echtheitsprüfungen von Banknoten und Briefmarken
  • Anwendungen in Postsortiermaschinen
  • Effektlicht
  • Qualitätskontrolle (Haarrisse können mit Schwarzlicht sichtbar gemacht werden, z. B. in Flugzeugfahrgestellen, automatischen Lenksystemen)
  • forensische Wissenschaften (Suche nach wichtigen Beweisen am Tatort, Suche nach Brandursachen)
  • in Auktionshäusern (Prüfung von Kunstwerken auf Echtheit)
  • Biotechnologie
  • Geologie (Prüfung der Posphoreszenz und der Fluoreszenz)